次聲作用下腦的作用機(jī)制

次聲作用下腦的作用機(jī)制

腦是一個重要的二級聲器官，對次聲作用非常敏感。生理學(xué)、形態(tài)學(xué)、行為學(xué)等研究表明,次聲可引起腦內(nèi)多個部位結(jié)構(gòu)、功能、神經(jīng)遞質(zhì)代謝等多方面的改變,其作用機(jī)制特殊,過程復(fù)雜。1garneau次聲概述次聲是由物體機(jī)械振動產(chǎn)生的頻率為0.0001—20Hz的聲波,其概念最早由法國科學(xué)家Gavreau于1966年提出。次聲廣泛存在于自然界和社會環(huán)境中,其頻率低,波長大,傳播過程中不易被吸收,衰減甚小,傳播遠(yuǎn),穿透力強(qiáng),對生物體的作用效應(yīng)巨大。高強(qiáng)度次聲對人體有害,是生產(chǎn)噪聲和公共噪聲的重要組成部分。2機(jī)體的聲勢以及振動的反應(yīng)次聲對生物體的基本作用原理是生物共振。人體可看作是一系列多支點、多重心的彈簧模型,其各個器官固有頻率多在次聲頻率范圍內(nèi),如軀體7—13Hz、頭部8—12Hz、胸腔4—6Hz、心臟5Hz、腹腔6—9Hz、盆腔6Hz、脊柱10—12Hz,如果各部分間的彈力處于平衡狀態(tài),則機(jī)體處于正常水平;當(dāng)機(jī)體處于次聲聲壓場時,若其聲強(qiáng)達(dá)到一定程度就有可能打破這種平衡,使機(jī)體的彈性壁進(jìn)入振動狀態(tài),繼而傳導(dǎo)給內(nèi)部組織器官,如果某一部件的自身頻率接近或符合激發(fā)作用的振動頻率,它將擴(kuò)大振幅并繼續(xù)振動,此即生物共振反應(yīng)。其產(chǎn)生的效應(yīng)廣泛而復(fù)雜,涉及系統(tǒng)、器官、組織、細(xì)胞以至分子水平。3第二聲對大腦的影響次聲引起的各臟器結(jié)構(gòu)與功能損傷中,首要的是腦的損害。腦內(nèi)多種神經(jīng)遞質(zhì)的代謝、組織細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能在次聲作用下都受到影響。3.1學(xué)習(xí)記憶腦內(nèi)海馬、顳葉皮質(zhì)、紋狀體等部位在空間學(xué)習(xí)記憶方面起著重要作用,次聲作用可影響這些部位的多種神經(jīng)遞質(zhì)代謝。3.1.1對腦內(nèi)質(zhì)及肌漿網(wǎng)的影響(ryanodinereceptor,RyR)細(xì)胞內(nèi)[Ca2+]i的動態(tài)變化在維持神經(jīng)系統(tǒng)功能方面起著至關(guān)重要的作用。近年發(fā)現(xiàn)和克隆的RyR是存在于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和肌漿網(wǎng)上的鈣通道蛋白,其亞型之一RyR3主要分布于腦內(nèi),通過影響胞漿內(nèi)的Ca2+濃度而在學(xué)習(xí)記憶過程發(fā)揮作用。8Hz次聲作用一定時間后,可引起SD大鼠海馬細(xì)胞內(nèi)[Ca2+]i顯著增高和海馬CA1及CA3區(qū)錐體細(xì)胞RyRs表達(dá)下調(diào),這種變化可能是次聲引起學(xué)習(xí)記憶功能損害機(jī)制中的重要環(huán)節(jié)。3.1.2學(xué)習(xí)記憶的敏感化過程5-HT是腦內(nèi)重要的神經(jīng)遞質(zhì),近年研究表明,5-HT通過分布在各處的5-HTR,影響學(xué)習(xí)記憶的敏感化過程。研究發(fā)現(xiàn)8Hz,130dB的次聲實驗組大鼠顳葉皮質(zhì)5-HT、5-HTR表達(dá)均較對照組減少,提示次聲作用后引起的學(xué)習(xí)記憶功能降低可能與皮質(zhì)中5-HT、5-HTR的減少有關(guān)。3.1.3glu對動物學(xué)習(xí)和記憶功能的影響Glu屬興奮性氨基酸類神經(jīng)遞質(zhì),生理劑量的Glu通過N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受體主要起傳遞信息、學(xué)習(xí)和記憶等作用。Glu過度釋放及其受體的激活可引起神經(jīng)元持續(xù)去極化,干擾神經(jīng)元的調(diào)節(jié)機(jī)制,表現(xiàn)毒性作用。海馬區(qū)神經(jīng)元內(nèi)Glu含量增加,其興奮毒性對神經(jīng)功能的影響可使動物的學(xué)習(xí)和記憶功能下降。研究發(fā)現(xiàn)與對照組比較,8Hz,120dB暴露組和16Hz,120dB暴露組腦組織海馬區(qū)神經(jīng)元內(nèi)Glu含量明顯增加,提示次聲刺激后動物學(xué)習(xí)能力的下降與Glu的興奮毒性有關(guān);8Hz,130dB次聲作用7d,可使具興奮毒性的代謝性谷氨酸受體1亞型(metabotropicglutamatereceptor1,mGluR1)mRNA表達(dá)升高;而運(yùn)用Ⅱ組mGluRs激動劑二碳酸環(huán)氧丙基甘氨酸(dicarboxyeclopropylglycine,DCG-IV)則可以通過活化有神經(jīng)保護(hù)作用的Ⅱ組mGluRs而有效地干預(yù)8Hz,130dB次聲引起的腦損傷。3.1.4紋狀體chat的減少中樞膽堿能系統(tǒng)在學(xué)習(xí)記憶行為中有重要的調(diào)節(jié)作用。有報道老年癡呆性大鼠空間學(xué)習(xí)記憶下降與其紋狀體的ChAT的減少相關(guān)。130dB次聲作用后,大鼠ChAT免疫陽性神經(jīng)元隨時間增加而數(shù)目減少,且16Hz次聲作用對大鼠ChAT陽性神經(jīng)元減少較8Hz次聲作用明顯,提示次聲作用后引起的學(xué)習(xí)記憶功能降低可能與紋狀體中ChAT的減少有關(guān)。3.1.5大鼠海馬細(xì)胞損害賠償8Hz,90dB/130dB次聲作用一段時間后均可導(dǎo)致海馬細(xì)胞凋亡數(shù)量顯著增高,尤以90dB/14d組效應(yīng)最強(qiáng),說明次聲作用對大鼠海馬細(xì)胞具有損傷效應(yīng),推測90dB次聲可能顯著上調(diào)促凋亡基因或顯著下調(diào)抑凋亡基因;隨作用時間延長,海馬細(xì)胞對8Hz,90dB/130dB次聲作用均可產(chǎn)生適應(yīng)性。海馬細(xì)胞的凋亡可能是次聲所致人和動物學(xué)習(xí)記憶功能障礙的原因之一。3.1.6兩組大鼠避暗回避實驗錯誤次數(shù)比較16HZ,130dB次聲作用42d后,采用避暗回避實驗觀察評估大鼠學(xué)習(xí)記憶功能的改變,發(fā)現(xiàn)與對照組比較,實驗組大鼠避暗回避實驗錯誤次數(shù)明顯增多,較難習(xí)得避暗經(jīng)驗;即使習(xí)得,也未能形成較為鞏固的記憶;8Hz,130dB次聲作用14d后,小鼠水迷宮潛伏期明顯延長,說明小鼠空間記憶能力受損。3.2腦損傷主要指標(biāo)gfap表達(dá)的變化3.2.1HSP70HSP70家族是一種最能反映細(xì)胞或機(jī)體應(yīng)付不良環(huán)境因素的能力的熱休克蛋白。SD大鼠接受頻率為8Hz和16Hz,聲壓為90dB和120dB次聲作用一段時間后,發(fā)現(xiàn)下丘腦、邊緣系統(tǒng)、聽覺中樞、皮質(zhì)、海馬等腦區(qū)出現(xiàn)HSP70陽性神經(jīng)元,且隨次聲頻率增高、聲壓增強(qiáng)及作用次數(shù)增加,其數(shù)目增多,提示這些核團(tuán)均發(fā)生了應(yīng)激反應(yīng)。3.2.2膠質(zhì)纖維酸性蛋白(GFAP)星形膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)GFAP含量增加是腦損傷時的生化標(biāo)志之一。16Hz,90dB和130dB的次聲作用后,發(fā)現(xiàn)小鼠腦內(nèi)GFAP表達(dá)的增強(qiáng)與次聲聲壓級、作用時間呈正相關(guān)。GFAP在海馬、皮質(zhì)、扣帶回、下丘腦室旁核和視上核等腦區(qū)的表達(dá)明顯多于其它區(qū)域。3.2.3c-fos與促腎上腺皮質(zhì)激素釋放因子(corticotropin-releasingfactor,CRF)原癌基因c-fos是反映神經(jīng)細(xì)胞功能活動的敏感指標(biāo),與CRF在應(yīng)激反應(yīng)的啟動和維持過程中有著相互激活、相互促進(jìn)的作用。8Hz,120dB次聲作用后0.5hc-fos與CRFmRNA均開始明顯表達(dá),隨時間延長,表達(dá)逐漸增強(qiáng),分別于2h和3h達(dá)高峰,表明次聲引起應(yīng)激反應(yīng)的中樞機(jī)制可能是次聲首先激活c-fos,之后激活CRF,促使CRF大量產(chǎn)生、釋放并進(jìn)入垂體門脈系統(tǒng),引起垂體釋放ACTH,進(jìn)而導(dǎo)致應(yīng)激反應(yīng)。3.2.4白介素-6(interleukin-6,IL-6)IL-6被認(rèn)為在中樞神經(jīng)系統(tǒng)具有神經(jīng)保護(hù)和神經(jīng)營養(yǎng)作用,是一種與腦損傷和損傷修復(fù)過程相關(guān)的重要前炎癥細(xì)胞因子。16Hz,90dB/130dB次聲作用后小鼠海馬區(qū)域的IL-6和IL-6mRNA含量明顯增多,提示次聲作用后腦組織有損害。3.3大鼠腦皮質(zhì)組織mda含量的變化谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-Px)是體內(nèi)重要的抗氧化酶,8Hz,130dB次聲作用于大鼠后,大腦皮質(zhì)GSH-Px活性較對照組增強(qiáng),且隨作用時間的延長,特別是作用2周后,與對照組比較活性明顯增強(qiáng)(P<0.05),表明大鼠大腦皮質(zhì)消除脂質(zhì)過氧化物的能力增強(qiáng),抑制了自由基引起的脂質(zhì)過氧化反應(yīng),使機(jī)體受到保護(hù)。丙二醛(MDA)是脂質(zhì)過氧化反應(yīng)的最終產(chǎn)物,是氧化損傷的標(biāo)志。次聲作用初期(14d內(nèi)),大鼠腦皮質(zhì)組織MDA含量較對照組明顯升高,提示氧化損傷較嚴(yán)重;隨次聲作用延長,到21、28d后MDA含量下降到對照組水平(P>0.05),說明腦組織此時對次聲作用已經(jīng)產(chǎn)生適應(yīng),GSH-Px活性的增加可能是這種適應(yīng)過程的機(jī)制之一。3.4超微結(jié)構(gòu)的變化3.4.1透射電鏡觀察SD大鼠在8Hz,130dB次聲環(huán)境下,每日暴露1次,每次2h,分為7、14、21和28d組。透射電鏡下可觀察到腦損傷以變性改變?yōu)橹?神經(jīng)元細(xì)胞固縮,染色質(zhì)邊集,胞質(zhì)內(nèi)可見脂褐素顆粒;膠質(zhì)細(xì)胞腫脹,出現(xiàn)衛(wèi)星現(xiàn)象;線粒體腫脹;突觸結(jié)構(gòu)異常;有髓神經(jīng)纖維廣泛變性,形成空泡。早期隨作用時間延長損傷逐漸加重,后期損傷有一定的恢復(fù)。3.4.2透射電鏡觀察海馬結(jié)構(gòu)受損主要表現(xiàn)8Hz,90dB及130dB次聲環(huán)境下大鼠暴露一定時間,透射電鏡觀察發(fā)現(xiàn)次聲引起海馬結(jié)構(gòu)受損,主要表現(xiàn)為神經(jīng)元、神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)出現(xiàn)水腫,溶酶體及脂褐素增多;血管內(nèi)皮細(xì)胞水腫。早期隨作用時間延長損傷逐漸加重,后期損傷有一定的恢復(fù)。3.4.3bcb通性腦水腫8Hz,120dB的次聲作用一段時間后,發(fā)現(xiàn)大鼠腦組織中BBB緊密連接開放,血管基膜外以至組織間隙內(nèi)存在硝酸鑭顆粒。推測次聲可造成BBB通透性改變,進(jìn)而引起血管源性腦水腫。這是次聲導(dǎo)致腦損害的關(guān)鍵因素之一。3.5次聲作用可引起動物腦電活動的抑制將新西蘭白兔分別暴露于頻率為16Hz,130dB的次聲場內(nèi)20min,采用EEGHolter